CN113667922A - 一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法 - Google Patents
一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，它包括如下步骤：(1)对镁合金基体表面进行喷砂处理；(2)在喷砂处理的镁合金基体表面加工滑槽型织构：采用精密机床在喷砂后的镁合金基体表面均匀加工出多条相互平行且上窄下宽的梯形滑槽；(3)制备Al涂层；(4)制备Al/Al2O3涂层。该制备方法通过精密加工制得的梯形滑槽型织构，减小了激光加工带来的热变形，且易于控制梯形滑槽的结构参数，相比其他结构有效增大了涂层与镁合金基体的互锁效应，解决了现有技术中涂层与基体结合力弱的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，属于热喷涂涂层加工技术领域。
背景技术
镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，具有低的密度和高的比强度、比刚度，良好的生物相容性、力学相容性和可降解性能，作为最轻的工程金属材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。镁合金虽然优点突出，但其耐磨性低、耐蚀性差。这些因素限制了镁合金更广泛地应用。提高镁合金在不同工况下的耐腐蚀和耐磨损性能是扩大其应用必须解决的问题。
等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂，喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高，涂层氧化物和杂质含量少，与电镀、电刷、渗碳、渗氮相比，等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果等优点。因此等离子喷涂技术在金属基体表面的改性方面有十分广泛的应用。
但是由于等离子喷涂制备的涂层与基体之间以机械结合为主，结合强度弱是等离子喷涂难以忽视的缺点。涂层的结合强度低，使用过程中就容易脱落，就难以发挥保护基体的作用，因此，亟需解决涂层与基体之间结合强度弱的问题，以保持涂层长期稳定地工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，该制备方法通过精密加工制得的梯形滑槽型织构，减小了激光加工带来的热变形，且易于控制梯形滑槽的结构参数，相比其他结构有效增大了涂层与镁合金基体的互锁效应，解决了现有技术中涂层与基体结合力弱的技术问题。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，它包括如下步骤：
(1)对镁合金基体表面进行喷砂处理：去除镁合金基体表面的氧化皮和杂质，然后使用吹风机或超声清洗去除镁合金基体表面的碎屑；
(2)在喷砂处理的镁合金基体表面加工滑槽型织构：采用精密机床在喷砂后的镁合金基体表面均匀加工出多条相互平行且上窄下宽的梯形滑槽，加工完成后，将镁合金基体表面及梯形滑槽内的残余碎屑清洗干净，以增大镁合金基体表面与涂层之间的结合面积；
(3)制备Al涂层：将采用步骤(2)处理后的镁合金基体放置在保温台中预热，保温台的温度远低于镁合金基体的熔化温度，然后在镁合金基体表面等离子喷涂Al涂层，所述Al涂层为粘结层；
(4)制备Al/Al2O3涂层：步骤(3)中完成Al涂层喷涂的镁合金基体仍放置在保温台中保温，在Al涂层表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层，所述Al/Al2O3涂层为工作层，且Al/Al2O3涂层在梯形滑槽加工完成后的三小时内完成喷涂。
优选地，所述步骤(2)中，任意相邻两梯形滑槽的下底之间的间距为150μm，所述梯形滑槽的上底长度为38-42μm，所述梯形滑槽的高度为h，0＜h＜30μm，所述梯形滑槽的下底角为α，75°＜α＜90°。
优选地，所述步骤(3)中喷涂Al涂层时采用粒径为78-82μm的Al粉进行喷涂，喷涂时将镁合金基体放置在保温台中预热，保温台的温度为350℃，喷涂角度为喷嘴轴线与梯形滑槽的延伸方向成135°的夹角，利用喷嘴喷出的气流排出梯形滑槽内的气体；
优选地，所述步骤(4)中喷涂Al/Al2O3涂层时采用Al/Al2O3混合粉末进行喷涂，保温台的温度为350℃，喷涂电压为50V，喷涂电流为700A，喷涂距离为90mm，保护气体和送粉气采用氩气，氩气的气流压强为0.48MPa，送粉量为30g/min，喷涂角度为喷嘴垂直于镁合金基体的表面。
优选地，所述Al/Al2O3混合粉末的质量配比为：质量分数为40％的Al粉和质量分数为60％的Al2O3粉末，所述Al粉的粒径为80μm，所述Al2O3粉末的粒径为50μm。
优选地，所述步骤(3)中Al涂层的厚度为95-105μm，所述步骤(4)中Al/Al2O3涂层的厚度为195-205μm。
优选地，所述步骤(3)中Al涂层的厚度为100μm，所述步骤(4)中Al/Al2O3涂层的厚度为200μm。
优选地，所述步骤(3)中喷涂Al涂层时采用粒径为80μm的Al粉进行喷涂。
优选地，所述镁合金基体为50mm×6mm的AZ61镁合金板材，所述镁合金基体的厚度为6mm。
优选地，所述步骤(1)中进行喷砂处理时采用16#棕刚玉砂，喷砂距离为50-70mm，喷砂角度为60-80°，保持送砂均匀，喷砂喷嘴匀速摆动两次，喷砂至镁合金基体边缘时减慢移动速度。
本发明的有益效果：本发明中，在喷砂之后的镁合金基体表面，通过精密机床加工制得规则排列的梯形滑槽，通过合理控制梯形滑槽的参数和喷涂参数，在镁合金基体表面依次喷涂Al涂层和Al/Al2O3涂层，Al涂层能减小镁合金基体与Al/Al2O3涂层物理性能上的差异，并与镁合金基体有不错的润湿性，熔融Al粉末微粒润湿流动进入滑槽，对梯形滑槽内部实现尽可能的填充，大大增加了涂层与镁合金基体的机械铆合作用，且喷涂方向为喷嘴轴线与梯形滑槽的延伸方向成135°的夹角，有利于气体的排出，可减小熔融Al颗粒润湿性不足导致梯形滑槽底角产生空洞，可充分发挥本发明结构的特点，即梯形滑槽对粘结层的互锁作用，这种互锁结构可增大涂层与镁合金基体的结合面积，增大熔融微粒对镁合金基体的加热面积，进入梯形滑槽内的熔融金属和镁合金基体表面的熔融金属会加大对镁合金基体的加热作用，增大二者的冶金反应，大大提高了涂层与镁合金的结合强度。将镁合金基体温度控制在350℃，远低于镁合金基体的熔化温度，可保证梯形滑槽的结构参数在喷涂过程中不发生明显变化。该镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法可以克服涂层易于在结合面剥离的问题，充分发挥涂层内聚力的作用，同时机械加工温度低，对镁合金基体材料的热影响小，减小了材料的变形。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的流程示意图。
图2为在镁合金基体表面喷涂Al涂层的结构示意图。
图中，1-喷嘴，2-保温台，3-镁合金基体，4-梯形滑槽，5-Al涂层，6-Al/Al2O3涂层。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，它包括如下步骤。
(1)对镁合金基体3表面进行喷砂处理：将镁合金基体3放在喷砂机中喷砂，所述镁合金基体3为50mm×6mm的AZ61镁合金板材，所述镁合金基体3的厚度为6mm，喷砂处理时采用16#棕刚玉砂，喷砂距离为50-70mm，喷砂角度为60-80°，保持送砂均匀，喷砂喷嘴匀速摆动两次，喷砂至镁合金基体3边缘时减慢移动速度，去除镁合金基体3表面的氧化皮和杂质，然后使用酒精清洗镁合金基体3，去除镁合金基体3表面喷砂后的残留氧化膜，再用吹风机或超声清洗去除镁合金基体3表面的碎屑。
(2)在喷砂处理的镁合金基体3表面加工滑槽型织构：采用精密机床在喷砂后的镁合金基体3表面均匀加工出多条相互平行且上窄下宽的梯形滑槽4，任意相邻两梯形滑槽4的下底之间的间距为150μm，所述梯形滑槽4的上底长度为38-42μm，所述梯形滑槽4的高度为h，0＜h＜30μm，所述梯形滑槽的下底角为α，75°＜α＜90°，梯形滑槽4的交界处圆滑过渡，这种结构形式的梯形滑槽4无尖角，可防止涂层与镁合金基体3间产生应力集中，也能减小熔融微粒填充困难，加工完成后，将镁合金基体3表面及梯形滑槽4内的残余碎屑清洗干净，以增大镁合金基体3表面与涂层之间的结合面积，滑槽型织构加工完成后应在3小时内完成涂层的喷涂。
(3)制备Al涂层5：将采用步骤(2)处理后的镁合金基体3放置在保温台2中预热，然后在镁合金基体3表面等离子喷涂Al涂层5。保温台2的温度为350℃，镁合金基体3的熔化温度为650℃，保温台2的温度远低于镁合金基体3的熔化温度，使镁合金基体3表面的织构参数在喷涂过程中基本不变，且高速熔融的Al粉末粒子喷涂在镁合金基体3上，与镁合金基体3发生适当的冶金反应，并增加熔融金属的润湿能力。所述Al涂层5作为粘结层，可减小镁合金基体3与工作层物理力学性能上的差异。具体来说，喷涂时将镁合金基体3放置在保温台2中预热，保温台2的温度为350℃，喷涂角度为喷嘴1轴线与梯形滑槽4的延伸方向成135°的夹角，利用喷嘴1喷出的气流排出梯形滑槽4内的气体，减小喷涂后涂层中的孔隙率。Al涂层5的厚度为95-105μm，优选Al涂层5的厚度为100μm；喷涂Al涂层5时采用粒径为78-82μm的Al粉进行喷涂，优选喷涂Al涂层5时采用粒径为80μm的Al粉进行喷涂。
(4)制备Al/Al2O3涂层6：步骤(3)中完成Al涂层5喷涂的镁合金基体3仍放置在保温台2中保温，保温台2的温度为350℃，在Al涂层5表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层6，所述Al/Al2O3涂层6为工作层，Al/Al2O3涂层6的厚度为195-205μm，优选Al/Al2O3涂层6的厚度为200μm，且Al/Al2O3涂层6在梯形滑槽4加工完成后的三小时内完成喷涂，喷涂电压为50V，喷涂电流为700A，喷涂距离为90mm，保护气体和送粉气采用氩气，氩气的气流压强为0.48MPa，送粉量为30g/min，喷涂角度为喷嘴1垂直于镁合金基体3的表面。喷涂Al/Al2O3涂层6时采用Al/Al2O3混合粉末进行喷涂，所述Al/Al2O3混合粉末的质量配比为：质量分数为40％的Al粉和质量分数为60％的Al2O3粉末，所述Al粉的粒径为80μm，所述Al2O3粉末的粒径为50μm，将混合粉末在截面较大的容器中横向摆动，可减小Al2O3和Al因密度不同导致混合不均匀的情况。
本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：它包括如下步骤：
(1)对镁合金基体表面进行喷砂处理：去除镁合金基体表面的氧化皮和杂质，然后使用吹风机或超声清洗去除镁合金基体表面的碎屑；
(2)在喷砂处理的镁合金基体表面加工滑槽型织构：采用精密机床在喷砂后的镁合金基体表面均匀加工出多条相互平行且上窄下宽的梯形滑槽，加工完成后，将镁合金基体表面及梯形滑槽内的残余碎屑清洗干净，以增大镁合金基体表面与涂层之间的结合面积；
(3)制备Al涂层：将采用步骤(2)处理后的镁合金基体放置在保温台中预热，保温台的温度远低于镁合金基体的熔化温度，然后在镁合金基体表面等离子喷涂Al涂层，所述Al涂层为粘结层；
(4)制备Al/Al2O3涂层：步骤(3)中完成Al涂层喷涂的镁合金基体仍放置在保温台中保温，在Al涂层表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层，所述Al/Al2O3涂层为工作层，且Al/Al2O3涂层在梯形滑槽加工完成后的三小时内完成喷涂。
2.根据权利要求1所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中，任意相邻两梯形滑槽的下底之间的间距为150μm，所述梯形滑槽的上底长度为38-42μm，所述梯形滑槽的高度为h，0＜h＜30μm，所述梯形滑槽的下底角为α，75°＜α＜90°。
3.根据权利要求2所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述步骤(3)中喷涂Al涂层时采用粒径为78-82μm的Al粉进行喷涂，喷涂时将镁合金基体放置在保温台中预热，保温台的温度为350℃，喷涂角度为喷嘴轴线与梯形滑槽的延伸方向成135°的夹角，利用喷嘴喷出的气流排出梯形滑槽内的气体。
4.根据权利要求3所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述步骤(4)中喷涂Al/Al2O3涂层时采用Al/Al2O3混合粉末进行喷涂，保温台的温度为350℃，喷涂电压为50V，喷涂电流为700A，喷涂距离为90mm，保护气体和送粉气采用氩气，氩气的气流压强为0.48MPa，送粉量为30g/min，喷涂角度为喷嘴垂直于镁合金基体的表面。
5.根据权利要求4所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述Al/Al2O3混合粉末的质量配比为：质量分数为40％的Al粉和质量分数为60％的Al2O3粉末，所述Al粉的粒径为80μm，所述Al2O3粉末的粒径为50μm。
6.根据权利要求5所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述步骤(3)中Al涂层的厚度为95-105μm，所述步骤(4)中Al/Al2O3涂层的厚度为195-205μm。
7.根据权利要求6所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述步骤(3)中Al涂层的厚度为100μm，所述步骤(4)中Al/Al2O3涂层的厚度为200μm。
8.根据权利要求7所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述步骤(3)中喷涂Al涂层时采用粒径为80μm的Al粉进行喷涂。
9.根据权利要求8所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述镁合金基体为50mm×6mm的AZ61镁合金板材，所述镁合金基体的厚度为6mm。
10.根据权利要求9所述的镁合金表面等离子喷涂Al/Al2O3涂层的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中进行喷砂处理时采用16#棕刚玉砂，喷砂距离为50-70mm，喷砂角度为60-80°，保持送砂均匀，喷砂喷嘴匀速摆动两次，喷砂至镁合金基体边缘时减慢移动速度。
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